This will be replaced by English version

Studium teplotního vývoje mřížkových parametrů Ni₂MnGa metodou rentgenové difrakce

K. Richterová¹, J. Drahokoupil², O. Heczko²

¹Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, České vysoké učení technické v Praze

²Institute of Physics of the ASCR, v.v.i.; Na Slovance 2, 18221 Prague 8, Czech Republic

Úvod

Slitiny Ni-Mn-Ga vykazují zajímavé fyzikální jevy, jako je magnetokalorický a elastokalorický jev a tvarová paměť [1]. Bylo objeveno, že některé slitiny typu Ni-Mn-Ga vykazují obří deformaci v magnetickém poli [2]. Tento jev, fundamentálně odlišný od magnetostrikce, se nazývá jev magnetické tvarové paměti (Magnetic shape memory –MSM). Uvažuje se, že tento jev by bylo možno využít při konstrukci sensorů či aktuátorů. Proto jsou tyto slitiny v současné době intensivně studovány.

Pro tyto jevy je nutnou podmínkou martensitický přechod [3]. Tuto změnu lze vyvolat teplotní změnou, tlakem, nebo dokonce magnetickým polem.

V dalším textu se budeme zabývat studiem detailního průběhu strukturních změn spojených s tímto přechodem při změně teploty.

Teorie

V Ni₂MnGa dochází při martensitickém přechodu ke změně z kubické mříže na tetragonální, která může vykazovat drobnou ortorombickou či monoklinickou odchylku (γ ≠ 90°) [4]. Protože martensitický přechod je fázový přechod 1. druhu, je s ním spojeno latentní teplo a původní i nová fáze mohou ve vzorku koexistovat současně. Díky geometrické neshodě kubické a tetragonální mříže dochází ke vzniku smykového napětí ve vzorku a ten způsobuje dvojčatění mříže.

Primárně vznikají dvojčata s orientací a a c, sekundárně pak vzniká jemná struktura zvaná a, b-laminát [5]. Rovina dvojčatění zde zrcadlí mřížku tak, že ji otáčí okolo osy c, původní směr strany a přejde na b, zatímco směr strany c zůstává shodný v původní i ozrcadlené mříži. Viz Obr. 1. Jednotlivá dvojčata tvoří ve vzorku tenké vrstvy, odtud tedy název této fáze.

Obr 1. Vznik a,b-laminátu dvojčatěním. Diagonála tvoří rovinu dvojčatění. Šedě původní mříž.

(Monoklinická odchylka není naznačena.)

Experiment

Předmětem studia byl monokrystal Ni₅₀Mn₃₀Ga₂₀ (at. %) od firmy AdaptMat Ltd. Při daném složení má Ni-Mn-Ga za pokojové teploty pseudotetragonální mříž s mřížkovými parametry a ~ 0,59 nm, b ~ 0,59 nm, c ~ 0,56 nm a γ ~ 90°. Při vyhřátí cca nad 50° C dochází k martensitickému fázovému přechodu a ve vzorku se objevuje austenitická fáze s kubickou mříží s prostorovou grupou Fm-3m a mřížkovými parametry a ~ 0,58 nm a α = 90°.

RTG měření proběhlo na horizontálním práškovém difraktometru X’Pert PRO PANalytical. Zdrojem záření byla kobaltová anoda (λ = 1.78901) s čárovým ohniskem. Při experimentu bylo využito asymetrického Bragg-Brentanova autofokusačního uspořádání pro divergentní svazek. K ohřevu vzorku bylo užito Peltierova článku se zdrojem s měnitelným proudem a napětím.

Výsledky a diskuze

Zkoumali jsme polohu difrakcí 400, 040, 004 v závislosti na teplotě vzorku. Při ohřevu jsme nejdříve pozorovali vzájemné přibližování rozměrů a, b základní buňky, až došlo k jejich ztotožnění na určité hodnotě, která byla blíže rozměru b – mříž tedy přešla na tetragonální symetrii. Při dalším ohřívání dochází ke skokovému přechodu ke kubické austenitické fázi.

Podobné výsledky jsme obbdrželi také při měření s klesající teplotou. Austenitická fáze skokově přešla do martensitické fáze s tetragonální symetrií (a = b). Při dalším poklesu teploty došlo k rozštěpení na dva různé rozměry a, b. Přechod do martensitické fáze ve směru roviny 004 jsme nepozorovali, vzorek se patrně díky způsobu odvodu tepla a výsledné heterogenní nukleaci vždy zorientoval ve směru rovin 400 a 040 a nikdy nevznikl variant s orientací 004. Teplotní závislost mřížkových parametrů při počáteční orientaci a, b je na obr. 2.

Obr 2. Vývoj mřížkových parametrů a a b s teplotou.

Patrná teplotní hystereze martensitické transformace.

Teplotní křivka při fázovém přechodu vykazuje hysterezi. Velikost hystereze se mírně lišila pro různé počáteční orientace vzorku, což může být způsobeno nedostatečně pomalým ohřevem vzorku, anizotropií teplotní vodivosti a závislostí na historii vzorku. Naměřená velikost se pohybuje okolo 6° C.

Závěr

Studovali jsme vývoj pseudotetragonální struktury Ni-Mn-Ga s teplotou. Při martensitickém přechodu do kubické austenitické fáze jsme zaznamenali neznámou mezifázi s tetragonální symetrií. Strukturní přechod je v souladu s teorií martensitické transformace vratný, teplotní křivka při chlazení vykazuje hysterezi o velikosti několika stupňů.

Reference

1. O. Söderberg, I. Aaltio, Y. Ge, O. Heczko and S.-P. Hannula, Mat. Sci. Eng. A, 481 C482 (2008), 80 C85

2. O. Heczko, A. Sozinov, K. Ullakko, IEEE Trans. Mag., 36 (2000) 3266

3. J. Pons, Martensitic phase transformations, IUCR newsletter 7, 2. http://www.iucr.org/news/newsletter/volume-7/number-2/martensitic-transformations 23.7. 2013

4. V. V. Martynov, J. Phys. IV, 5, 91 (1995)

5. L. Straka, O. Heczko, H. Seiner, N. Lanska, J. Drahokoupil, A. Soroka, S. Fähler, H. Hänninen, A. Sozinov, Acta Materialia, 59 (2011) 7450–7463

Poděkování.

Práce je podporována grantem GAČR No. P107/11/0391. Autoři by také rádi poděkovali Adaptamatu Ltd. za laskavé poskytnutí výzkumného materiálu.